춘천과 영월의 대기 중 초미세먼지(PM2.5)의 농도 특성에 대한 연구
김현웅
강원대학교 대학원 환경학과

본 연구는 춘천, 영월 두 도시에서 2012년 4월부터 2013년 10월까지 PM2.5시료를 채취 및 분석하여, 춘천, 영월의 대기 중 PM2.5의 농도와 원소성분을 측정하였다. 춘천은 소도시로 우리나라의 수도권으로부터 북서쪽으로 약 100 km에 위치하였으며, 도시에 대규모 배출원이 없다. 그러나 영월은 시료채취지역 근처에 대규모 시멘트 공장이 있으며, 대기 중 PM2.5 농도에 기여할 것으로 예상된다. 춘천과 영월의 PM2.5 농도는 각각 23.0 ± 13.8 ㎍/㎥, 19.7 ± 16.3 ㎍/㎥이며, 두 지역의 PM2.5 농도 간에 통계적으로 유의 한 차이는 없다. 동일한 측정기간 동안, 대기오염측정망자료를 사용한 결과로 PM10 농도는 각각 51.8 ± 31.7 ㎍/㎥, 35.5 ± 21.3 ㎍/㎥이며, 영월에 비해 춘천이 없게 나타났다. 이 결과는 PM2.5 농도는 비슷하지만, PM2.5-10 농도는 영월보다 춘천에서 인위적인 배출원보다 자연적 배출원에서 영향을 받아 상대적으로 높게 나타난다. 춘천과 영월의 PM2.5와 PM10 계절적 변화는 두 지역 동일하게 여름보다 겨울에 높게 나타났다. 이러한 이유는 첫 번째 겨울에 대기혼합고도가 낮아져서 대기 확산이 어려워 농도 증가에 영향을 주었으며, 두 번째는 여름에 잦은 강우로 인해 대기에 있는 미세먼지와 초미세먼지가 습식 침전되어서 농도가 낮아지는데 영향을 주었으며, 세 번째는 중국과 우리나라 수도권에서 유입되는 편서풍으로 인해 겨울에 영향을 주었다. XRF결과 상위 5개 항목은 춘천은 S(62.8%), Si(8.9%), Cl(5.7%), K(5.3%), Fe(3.4%)순이고 영월은 S(76.0%), K(5.2%), Si(4.0%), Cl(2.8%), Ca(2.4%)순으로 나타났으며, 춘천보다 영월에서 S가 높은 기여를 보여주며 고농도를 보여 주었다. 원소성분 중 S, Cr, Ni, Zn, As, Pb는 인위적인 요소로 춘천에 비해 영월에서 상대적으로 유의하게 높고, 반면에 원소성분 중 Si, Al, Ti, Fe은 대부분 토양기원성분으로 영월보다 춘천에서 유의하게 높았다. 영월에서 6종의 원소는 인위적인 배출원에서 배출되고, PM2.5영향을 주어 춘천보다 높으며, 결과적으로 국지적인 인위적 배출원에 의해 영월의 PM2.5에 영향을 주었다. PM2.5 농도는 영월보다 춘천이 더 높았지만 PM2.5 내 인간의 건강에 위험을 주는 유해원소인 Cr, Ni, Zn, As, Pb이 영월에서 더 높았다. 또한, 인위적인 배출원을 나타내는 EF값도 춘천보다 영월에서 대부분의 원소가 일반적으로 높았다. 주성분 분석(PCA)결과는 춘천은 Al, Si, CA, Ti, Fe, Mg, Mn으로 총 분산의 26.8%를 기여하였고, 토양 및 도로변 비산먼지로 나타났다. 한편, 영월은 Si, Al, Mg, K, Na, Br, As, Fe, Ti, Pb, Ca으로 총 분산의 29.2%를 기여하였고, 시멘트산업으로 확인되었다. 시멘트의 원료는 Si, Al, Mg, Ti이고 시멘트공장의 주요원료는 석탄이며 보조연료로는 타이어 및 목재 등의 폐기물 소각한다. 따라서 토양기원성분인 Si, Al, Mg, Ti과 타이어 및 목재 등의 폐기물 소각에서 배출되는 K, Br, As, Na, Pb이 시멘트공장의 배출원에서 나타났고 판단된다.
PCA특징으로 춘천은 소각, 해염입자, 산업공정, 자동차관련, 콘크리트 관련 오염원이 추정되고, 영월에서는 자동차, 석유연소과정, 산업공정, 금속산업이 있다.

Characteristics of atmospheric fine Particles(PM2.5) collected in two cities, Chunchen and Yeongwol in Korea

Hyun-Woong Kim

Department of Environmental Science
Graduate School, Kangwon National University

Abstract

In this study, PM2.5 and its trace elements concentrations were measured at two cities including Chuncheon and Yeongwol in Korea from April, 2012 to October, 2013. Chuncheon is a small town, northwesterly located approximately 100 km from Seoul, the metropolitan in Korea, and there is no large anthropogenic source in the city. However, at the Yeongwol site, a large cement plant is located nearby, possibly contributing to the atmospheric PM2.5 concentration at the sampling site. Average measured concentrations of PM2.5 were 23.0 ± 13.8 ㎍/㎥, 19.7 ± 16.3 ㎍/㎥ for Chuncheon and Yeongwol, respectively, but there was no statistical difference between two sites. During the same sampling period, PM10 concentrations obtained from National Atmospheric Monitoring Site were 51.8 ± 31.7 ㎍/㎥ and 35.5 ± 21.3 ㎍/㎥ in Chuncheon and Yeongwol, respectively, showing that much higher PM10 concentration in Chuncheon than in Yeongwol. This result indicates that PM2.5-10 that is mainly emitted from natural sources and/or mechanical processes was relatively higher in Chuncheon than in Yeongwol although PM2.5 concentrations were similar between two sites. Wintertime concentrations of PM2.5 and PM10 were much higher than in those measured in summer at both sites possibly because 1) mixing layer was reduced in winter, 2) wet scavenging by precipitation was active in summer, and 3) predominant westerly winds from industrial areas of China and Korea occurred during winter.
Top 5 of the XRF elements having the highest concentrations were S (62.8%), Si (8.9%), Cl (5.7%), K (5.3%), and Fe (3.4%) for Chuncheon, and S (76.0%), K (5.2%), Si (4.0%), Cl (2.8%), and Ca (2.4%) for Yeongwol, showing the contribution of S was much higher in Yeongwol than in Chuncheon. In addition, mostly crustal elements including Si, Al, Ti, and Fe were significantly higher in Chuncheon than in Yeongwol while the anthropogenic elements including S, Cr, Ni, Zn, As, and Pb were relatively higher in Yeongwol than in Chuncheon. In Yeongwol, the relative standard deviation of those six elements were also higher than in Chuncheon, suggesting that local anthropogenic source affected in a greater extent to the PM2.5 in Yeongwol. Therefore, although the mass concentration of PM2.5 was higher in Chuncheon than in Yeongwol the hazardous elements including Cr, Ni, Zn, As, and Pb were higher in Yeongwol, suggesting that the human health effect due to the atmospheric PM2.5 was possibly greater in Yeongwol than in Chuncheon. Also, enrichment factor indicating the effect of anthropogenic source was generally higher for most elements in Yeongwol than in Chuncheon.
Principle component analysis (PCA) results showed that the most important source was soil and road dust for Chuncheon, contributing 26.8% of total variance, which was explained by high contributions of Al, Si, CA, Ti, Fe, Mg and Mn. On the other hand, the most significant source in Yeongwol (contributing 29.2% of total variance) was identified as cement industry as having high values for Si, Al, Mg, K, Na, Br, As, Fe, Ti, Pb, and Ca. Raw material of cement is crustal materials consisting of Si, Al, Mg, and Ti. The main fuel was coal and supplemental fuels were wastes including tire and wood at this cement plant. Therefore, the crustal elements (Si, Al, Mg, and Ti) and anthropogenic elements from tire and wood combustion (K, Br, As, Na, and Pb) were coincidently enhanced in this first factor, and represented the cement source. Other sources characterized by PCA were incineration, sea-aerosol, industrial process, automobile, and concrete-related process in Chuncheon, and automobile, oil-fired process, industrial process, and metal industry in Yeongwol.